靜電紡絲纖維在空氣過濾中的專利技術(shù)概況

嚴(yán)小妹

（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局 專利審查協(xié)作湖北中心，湖北 武漢 430070）

1 前言

石棉纖維、玻璃纖維和合成纖維等傳統(tǒng)的空氣過濾材料，其只能過濾大顆粒，對于微細(xì)顆粒、更小的病毒、化學(xué)氣體污染物等不能有效濾除，在應(yīng)用上具有較大的局限性。而靜電紡絲工藝因制備工藝簡單及可以連續(xù)制備納米級纖維的特性，使靜電紡絲納米纖維具有纖維膜孔徑小、孔隙率高、透氣性好等特性，并且具有將活性化學(xué)或功能性物質(zhì)轉(zhuǎn)變成納米尺寸物質(zhì)的潛力，非常適合用于空氣凈化領(lǐng)域。鑒于此，國內(nèi)外專家學(xué)者對靜電紡絲過濾材料在空氣凈化上的應(yīng)用進(jìn)行了較多和深入的研究。

2 靜電紡絲纖維材料的過濾機理

過濾過程在理論上可以分為兩個階段:第一階段稱為穩(wěn)定階段，在此階段里，過濾材料對微粒的捕捉效率和阻力不隨時間而改變，而是由過濾材料的固有結(jié)構(gòu)、微粒的性質(zhì)和氣流決定的;第二階段稱為不穩(wěn)定階段，在此階段里，捕捉效率和阻力不取決于微粒的性能，而是隨時間的變化而變化，主要是隨著微粒的沉積、氣體的侵蝕、水蒸氣的影響等變化。靜電紡絲纖維材料的過濾過程為穩(wěn)定過程，可以通過影響空氣過濾的3 個主要因素考慮:粒子、分散介質(zhì)(空氣)和材料的特性?？偟恼f來纖維直徑越小，填充的密度越高、越均勻，過濾的粒子直徑越小，過濾效率也越高[1]。

3 靜電紡絲纖維過濾材料的改進(jìn)研究

3.1 靜電紡絲纖維存在的不足及改進(jìn)

靜電紡絲會形成串珠結(jié)構(gòu)纖維影響納米纖維的均勻結(jié)構(gòu)。申請?zhí)朇N201810981458 公開了一種品質(zhì)因子可調(diào)控的空氣過濾膜及其制備方法，在靜電紡絲纖維過濾膜中同時引入串珠結(jié)構(gòu)、超細(xì)納米纖維結(jié)構(gòu)，串珠結(jié)構(gòu)的引入可以提高產(chǎn)品結(jié)構(gòu)蓬松度，超細(xì)納米纖維的引入可以提高產(chǎn)品過濾精度，提高大氣中超細(xì)顆粒物的過濾效果。

靜電紡絲獲得的纖維直徑均勻性差，為了獲得直徑均勻的靜電紡絲纖維，申請?zhí)朇N202011533173 公開了一種用于空氣過濾的無紡布生產(chǎn)裝置，該裝置的環(huán)形空腔內(nèi)始終充滿紡絲溶液，同時由于轉(zhuǎn)速相對于傳統(tǒng)離心靜電紡絲有所降低，使得紡絲圓桶在轉(zhuǎn)動過程中不會產(chǎn)生晃動或形成漩渦，紡絲穩(wěn)定性更好；更使得圓柱形接收裝置上接收到的納米纖維的分布相對均勻，不會出現(xiàn)厚薄不勻的現(xiàn)象。

靜電紡纖維另一個不足就是太輕薄，纖維層之間的粘附性差，支撐強度不夠。申請?zhí)朇N202110179019 公開了一種微納米纖維復(fù)合材料，外層為疏水層，內(nèi)層為微米纖維層，內(nèi)層為靜電紡絲納米纖維抗菌層，中間層提供機械支撐和阻隔作用。此外，在實際使用中，除了將靜電紡纖維膜與其它支撐層進(jìn)行復(fù)合以形成多層結(jié)構(gòu)外，還可以通過在纖維膜層中加入增強材料以提高機械性能。申請?zhí)朇N201811496271 公開了一種基于靜電紡絲技術(shù)的高拉伸模量聚合物納米復(fù)合纖維的制備方法，通過對納米氧化鋅改性后，納米顆粒上的偶聯(lián)劑分子鏈與聚合物鏈相互纏結(jié)，使得納米顆粒與聚合物組分之間的相互作用力明顯增強，有利于納米顆粒的分散及受力情況下納米顆粒與聚合物體相之間的應(yīng)力傳遞，并最終增強聚合物納米復(fù)合纖維的拉伸模量。申請?zhí)朇N202011206539 公開了一種空氣環(huán)保過濾膜，由醋酸鋅、醋酸鉺、醋酸鈰混合后的醋酸溶液與PAN溶液通過靜電紡絲法制備得到醋酸鋅/聚丙烯腈復(fù)合納米纖維膜；再將醋酸鋅/聚丙烯腈復(fù)合納米纖維膜經(jīng)過水熱反應(yīng)生成得到稀土金屬摻雜的ZnO 納米線纖維膜。本發(fā)明在聚丙烯腈纖維具有孔徑小、耐酸、耐有機物、機械強度大的基礎(chǔ)上，引入氧化鋅增加了抗菌能力和光催化性能，并且摻雜了稀土金屬，大大改善了氧化鋅的光催化效率和拓寬了其可見光響應(yīng)范圍。

其次，機械性能優(yōu)越的碳納米管也被作為增強材料使用。申請?zhí)朇N201810714320 公開了一種用于空氣過濾的碳管增強的聚丙烯腈/尼龍6 復(fù)合纖維，碳管在纖維中進(jìn)一步增加空氣與纖維的接觸面積，由于碳管的加入，使得纖維材料之間的孔隙率增大，機械強度和過濾阻力都被進(jìn)一步降低。申請?zhí)朇N202011609065 公開了一種高韌性碳納米纖維增強無紡布，采用靜電紡絲獲得改性碳納米纖維后獲得無紡布，相對于通過聚合物增韌的材料，該材料具有更好的強度和韌性。申請?zhí)朇N202011232616 公開了一種碳納米管/改性聚丙烯腈納米纖維膜，采用靜電紡絲技術(shù)將改性聚丙烯腈與碳納米管制備成納米纖維膜，通過碳納米管和功能單體進(jìn)行結(jié)合，共同提高了材料的力學(xué)性能。

另外，交聯(lián)也是改進(jìn)纖維材料機械強度的一種手段，通過與其它材料復(fù)合，既能增強強度，又可以提高材料的過濾效率，擴大材料的應(yīng)用范圍。申請?zhí)朇N201810823464公開了一種三維交聯(lián)的超浸潤納米纖維膜，采用具有不同取向的納米纖維相互交聯(lián)堆疊想成三維網(wǎng)絡(luò)，在不同的交聯(lián)點處形成表面活性點，增強纖維的強度和浸潤性。申請?zhí)朇N202011186440 公開了一種插入式口罩，通過聚合物與抗病毒藥物的混合液進(jìn)行靜電紡絲獲得纖維膜材料，通過交聯(lián)結(jié)構(gòu)提高主體的強度，通過改善了其透氣性，使其可以對病毒進(jìn)行抑制。

3.2 靜電紡絲纖維過濾材料抗菌性的功能化復(fù)合改性

當(dāng)前我們所生活的環(huán)境，空氣中會漂浮著微細(xì)顆粒物、各種帶有傳播性的病菌和對人體有害、惡臭的氣味，這些都對人類的身體健康造成極大的影響，在醫(yī)療、生活環(huán)境中都需要無菌潔凈的空氣，這對于空氣過濾材料的需求和要求也更大，專家學(xué)者們通過對靜電紡絲纖維進(jìn)行復(fù)合改性，根據(jù)實際需求來改善纖維膜的抗菌性。

通過將光催化技術(shù)和纖維過濾技術(shù)相復(fù)合形成的除塵滅菌材料。申請?zhí)朇N202011125446 公開了一種制備MOF/纖維素/聚丙烯腈口罩濾芯層的方法，使用金屬有機骨架MIL-53(Fe)作為吸附和光催化劑，纖維素作為吸濕材料，采用靜電紡絲方法制備出具有抗菌、高效過濾和可自然降解功能的MOF/纖維素/聚丙烯腈共混納米纖維復(fù)合膜，突破靜電吸附，利用物理吸附，對粉塵和病菌進(jìn)行防護(hù)和隔離，利用MIL-53(Fe)光催化活性消滅病菌，可以水洗重復(fù)利用，合理利用資源。

駐極技術(shù)可以讓靜電紡纖維獲得穩(wěn)定的電荷，在過濾的過程中，通過增強對介質(zhì)的吸附來提高過濾效率。申請?zhí)朇N202010129526 公開了一種駐極納米纖維過濾材料，噻吩類偶極分子通過高壓電場進(jìn)行極化，極化后偶極分子偶極矩的取向被凝固聚合物所穩(wěn)定，通過增強靜電效應(yīng)，從而提高材料的過濾攔截性能。申請?zhí)朇N202010197921 公開了一種基于全纖維駐極體發(fā)電機的高效防護(hù)口罩，該口罩同時具備機械和靜電捕獲功能，過濾效率高且透氣性好。申請?zhí)朇N202010170094 公開了一種靜電紡PSA 駐極體復(fù)合過濾材料，在PSA 中加入聚四氟乙烯納米顆粒進(jìn)行靜電紡絲獲得復(fù)合纖維，通過高壓電場的作用，使材料的電荷儲存negligence 和穩(wěn)定性增加，材料實現(xiàn)高效低阻。

金屬銀具有殺菌性，將納米級銀負(fù)載于纖維材料上，通過表面效應(yīng)提高抗菌性能。申請?zhí)朇N202010369177 公開了一種納米蛛網(wǎng)抗菌復(fù)合空氣過濾材料，在靜電紡絲液中加入硝酸銀后，再靜電紡絲獲得三維網(wǎng)狀的復(fù)合材料，通過紫外線照射，纖維膜中原位產(chǎn)生納米銀進(jìn)行殺菌。申請?zhí)朇N202110161576 公開了一種PETG 抗菌復(fù)合膜，將抗菌劑Ag/TiO2 負(fù)載在聚合物載體上，提高抗菌性的同時，也提高了斷裂拉伸等機械力學(xué)性能。

采用天然抗菌物質(zhì)與纖維膜進(jìn)行復(fù)合，不僅可以提高材料的抗菌性，還可以使材料具備降解性。申請?zhí)朇N202011414485 公開了一種海藻酸鹽抗菌復(fù)合膜，由雙層結(jié)構(gòu)的納米纖維素膜交聯(lián)得到，所述雙層結(jié)構(gòu)的納米纖維素膜由靜電紡絲殼液和靜電紡絲芯液進(jìn)行同軸靜電紡絲得到，所述靜電紡絲殼液包括殼聚糖、海藻酸鈉、溶菌酶和溶劑A，所述靜電紡絲芯液包括生物活性玻璃、瓊脂糖醋酸酯和有機溶劑，制備的海藻酸鹽抗菌復(fù)合膜的纖維具備外親水里疏水的特性，整體性能更為均一，殼層中藻酸鹽親水吸液、溶菌酶促上皮化，芯層疏水傳液體，控釋抑菌。

4 靜電紡絲過濾材料在空氣凈化中的應(yīng)用展望

空氣中的各種粉塵顆粒物加劇了細(xì)菌、病毒的傳播，例如SARS、新型冠狀病毒等，因此提供對空氣中污染物的防護(hù)以及去除的需求變得更加重要。為了應(yīng)對不同的使用需求，研究人員已經(jīng)研制出具有各種功能的新型納米纖維材料，使納米纖維材料具有更多的應(yīng)用方向。通過靜電紡絲獲得的纖維膜直徑均勻、孔隙率高，目前已顯示出廣闊的應(yīng)用前景，以下兩個方向?qū)⒊蔀榻窈蟮闹饕芯繜狳c[2]。

（1）高性能化。綜合納米纖維的過濾效率和壓力降，提高納米纖維材料內(nèi)部直徑的分布均勻性，多級纖維層之間的粘結(jié)強度等等，因此靜電復(fù)合納米纖維材料的結(jié)構(gòu)與性能還有待提高，以研究出綜合性能更好的纖維用于空氣過濾中。

（2）抗菌性和有害氣體防護(hù)性。在當(dāng)今全世界處于新冠疫情下，口罩是阻斷病毒傳播的最有效手段，需求量巨大，而靜電紡絲納米纖維膜應(yīng)用于口罩領(lǐng)域時，應(yīng)進(jìn)一步研究降低過濾阻力以提高口罩的透氣性和舒適性，同時提高納米纖維膜的抗菌性能，因此還需進(jìn)一步研究纖維膜過濾和病毒滅活機理，并開展深入研究。